CN113540777B - 基于有源aip单元的平板相控阵天线架构 - Google Patents

基于有源aip单元的平板相控阵天线架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于有源AIP单元的微波频段平板相控阵天线架构，具有剖面低，集成度高、易于装配和维修性和测试性，本发明通过下述技术方案实现：按照分支口/公共口的信号传输路径，相控阵天线电路分为包含了无源天线阵面和分支路SIP封装TR组件的有源AIP单元和包含了接收链路功率分配网络、发射链路功率分配网络、波束控制器件数字电路和电源分配电的路多功能天线母板。有源AIP单元和多功能天线母板固定在底层金属结构上。每个有源AIP单元通过高低频集成式矩形接插件与天线母板上表贴的公共口SIP封装TR组件、电源器件和波束控制器实现与SIP封装分支口TR组件多种类型信号的双向传输电气连接。

Description

基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构
技术领域
本发明涉及平板封装相控阵天线技术领域，特别是一种基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构。
背景技术
有源相控阵天线设计的核心是T/R组件。T/R组件设计的主要因素是：不同形式集成电路的个数，功率输出的高低，接收的噪声系数大小，幅度和相位控制的精度。同时，辐射单元阵列形式的设计也至关重要。大多数X波段及以上频段T/R组件都采用基于GaAs工艺的MMICs技术。该技术有个缺点就是热传导系数极低。根据不同的应用需求，T/R模块可能还需要预功放电路，需要将输入信号进行放大以满足高峰值功率需求。通常情况下，每个天线阵列辐射单元必须精确保证其在阵列中的位置，并安装到刚性的背板上。在对于有天线RCS有缩减要求时，天线阵面的变形后会引起随机散射增强，且该影响无法进行消除。对于每个相控阵天线而言，其具体T/R布局的方式各不相同，其中一种常见的布局方式是采用砖块式(stick)布局，另外一种有源相控阵天线的布局是采用片式(tile)结构，每个T/R模块由三层电路板垂直叠放形成，而每层电路板又包括了4个TR电路。T/R组件中电路产生的热量通过电路板传导至周围的金属结构中进行散发。随着集成电路器件尺寸不断缩小和集成化程度的不断提高，有源相控阵天线架构可分为如图10、图11所示的分离式和集成式两种形式，这两种相控阵天线架构的特点如下所示：
1、分离式的相控阵天线司空见惯，砖式(Z向铺展)和瓦式(X-Y平面铺展)两种经典的有源相控阵天线架构均属于分离式的相控阵天线。如图10所示，传统的分离式相控阵架构将多个功能模块，例如无源收发一体天线阵面，TR组件，波束控制模块，电源转换模块等模块，通过紧固件组装在一起的方式，这种架构的相控阵天线优点是技术成熟，功能划分清晰，界面明显，整机的测试和维修方便，缺点是体积大，重量重，相控阵天线内部空间利用率低。
2、集成式的相控阵天线迅速发展，平板式有源相控阵架构属于集成式的相控阵天线。随着器件尺寸的不断缩小，封装技术已经成为了极为关键的技术，目前封装技术主要包括了系统级芯片(System on Chip，SoC)和系统级封装(System in Package SiP)技术。SoC技术通过半导体工艺在同一个芯片上集成实现系统功能的各种电路；而SiP技术则是通过封装工艺将各个功能模块集成在一个封装内。基于SIP封装和多层数字模拟混压印制板技术的平板式有源相控阵架构广受青睐，如图11所示。该种架构的相控阵天线可以大大降低天线的剖面高度，减小各功能模块间的互联损耗，其中原有的TR组件以多通道多功能SIP形态呈现，采用符合标准全自动表贴流水线(SMT)工艺的方式二次组装于多功能母板上，也可以大大提高整个相控阵天线系统的生产制造效率，打破了传统的分离式相控阵天线架构存在的剖面高度高、重量重，成本高，装配周期长等缺点。但这种天线目前技术相对新颖，是将空间电磁波，电路导行波、数字逻辑电路、电流、结构力学和热学等多物理场融合的新兴技术，有很高的技术门槛，设计难度大，同时超高的集成度也牺牲了产品在工程上应有的维修性和测试性，出现故障后，使相关领域从业人员很难定位和排查存在的问题，甚至一个微小的设计缺陷就会导致整个产品不得不报废处理。如果采用集成式相控阵天线架构和分离式相控阵天线架构，天线单元数目或安装尺寸的大小一旦改变，整个相控阵天线就需要重新设计。
随着无线通信技术的发展，相控阵天线要求射频系统体积越来越小，功能越来越强大。传统方法将天线与射频收发机一起安装在PCB电路板上，天线占据的空间阻碍了系统的小型化、低剖面、轻质化。为了克服天线的缺点，与单芯片接收机更好的匹配，近几年，提出了对应SoC和SiP的概念，单个集成天线包括片上天线(Antenna on chip，AoC)和封装天线(Antenna in Package，AiP)两大类型：AoC技术通过半导体材料与工艺将天线与其他电路集成在同一个芯片上，考虑到成本和性能，AoC技术更适用于太赫兹(THz)频段。AoC和AiP分别属于上述SoC和SiP概念的范畴。封装天线AiP技术是基于封装材料与工艺将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术。AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积，代表着近年来天线技术重大成就。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种具有剖面低，集成度高、易于装配，具有较好的维修性和测试性，便于问题定位和故障排查，基于有源AIP单元的平板相控阵本发明的上述目的通过下述技术方案予以实现，一种基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，包括：按照天线的分支口/公共口的信号路径进行划分的有源AIP单元，接收链路功率分配网络+发射链路功率分配网络+波束控制器件数字电路+电源分配电路的多功能天线母板和底层金属结构3，其特征在于：在多功能天线母板2表面上同侧排布的N个有源AIP单元，每个有源AIP单元1利用包含了辐射贴片和射频数字集成电路板的天线子板6，通过一角端上对插的高低频矩形电连接器与天线多功能母板2实现电气互联，并通过金属紧固件将所有的有源AIP单元1和多功能天线母板2固定在底层金属结构3的腔体内；底层金属结构3的侧壁或底部通过焊接在多功能天线母板2上预留接插件焊盘位置上的一个或多个连接器13传输射频信号、控制信号和电源信号，多功能天线母板2以多层数字模拟混压印制板的形式，通过底层金属结构3之间的公共口SIP封装TR组件、电源器件和波束控制数字器件实现与分支口SIP封装TR组件7多种类型信号的双向传输电气连接。
从上述的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明按照天线的分支口/公共口的信号路径进行划分，将相控阵天线系统分为了有源AIP单元(包含无源天线阵面+分支路的SIP封装TR组件)和多功能天线母板(接收链路功率分配网络+发射链路功率分配网络+波束控制器件数字电路+电源分配电路)两部分。这样的架构设计利用了分离式的相控阵天线架构和集成式相控阵天线架构的优点，一方面提升了天线的集成化并有效减小整个相控阵天线的尺寸，另一方面有效提升了天线的测试性和维修性。
2、本发明中每一个天线封装有源AIP单元都是功能结构独立完整的有源天线，利用包含了辐射贴片和射频数字集成电路板的天线子板，避免了电缆连接，提高了单元的集成度；同时可以对每个有源AIP单元的有源指标进行单独测试验证，通过更换器件发生故障的有源AIP单元就实现快速高效的维修性。
3、本发明将多层数字模拟混压印制板分为了包含辐射贴片及分支口电路的天线子板和公共口电路的多功能天线母板两部分。相比典型的集成化平板相控阵天线架构，由于多功能天线母板不包含对外辐射电磁波的辐射贴片和分支口射频电路功能，简化了多层数字模拟混压印制板的设计难度；通过多功能天线母板上的同有源AIP互联的高低频集成矩形插座和底层金属结构上的连接器，不需要设计额外的测试接口也能够实现对多功能天线母板进行有线测试，提升了多功能天线母板的测试性。
综上所述，本发明按照分支口/公共口的信号传输路径，将集成式相控阵天线分成两部分：有源AIP单元和多功能天线母板。本发明相比传统的分离式相控阵天线架构，提高了天线的集成度并有效减小了整个相控阵天线的尺寸；相比典型的平板封装相控阵天线架构，降低了集成化程度，相比典型的集成式平板相控阵架构增加了高低频集成式矩形插头和插座的互联高度，虽然牺牲了部分剖面高度，但换取了较高的测试性和较好维修性，同时也降低了多层射频数字混压印制板的设计难度。此外，就算是在相同的工作频段，受安装要素的制约和相控阵天线指标要求变化的影响，如果采用集成式相控阵天线架构和分离式相控阵天线架构，天线单元数目或安装尺寸的大小一旦改变，整个相控阵天线就需要重新设计。然而采用本发明的架构，主要的有源AIP单元可直接按照要求的对天线单元数目进行增减，只需要更改多功能天线母板和底层金属结构即可实现整个相控阵天线系统的快速研发生产，因此，本发明的相控阵天线架构还具有可扩展性强和维护性的特点。
附图说明
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1是本发明基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构的一种构造示意图；
图2是图1的三维构造示意图；
图3是图2的分解示意图；
图4是图2的接插件互联剖视图；
图5是图1的有源AIP单元的三维外形示意图；
图6是图5的分解示意图；
图7是SIP封装TR组件示意图；
图8是图1中多功能天线母板的三维示意图；
图9是图8的分解示意图；
图10是传统分离式控阵天线架构示意图；
图11是典型集成平板控阵天线架构示意图。
图中：1.有源AIP单元，2.多功能天线母板，3.底层金属结构，4高低频集成式矩形插头，5.高低频集成矩形插座，6.天线子板，7. 分支口SIP封装TR组件，8辐射贴片层，9射频数字信号走线层，10.陶瓷基板，11.可伐围框，12.高铅球，13.连接器，14.盒体围框，15.接收链路功率分配网络PCB板，16.发射链路功率分配网络PCB板，17.波束控制与电源分配电路PCB板，18.SIP封装TR组件，19.波束控制器件，20.电压转换器。
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
具体实施方式
参阅图1～图4。在以下描述的优选实施例中，一种基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，包括：同侧排布在多功能天线母板2表面上的N个有源AIP单元1和底层金属结构3，其中：每个有源AIP单元1通过一角端上对插的高低频矩形电连接器与天线多功能母板2实现电气互联，并通过金属紧固件将所有的有源AIP单元1和多功能天线母板2固定在底层金属结构3的腔体内；底层金属结构3的侧壁或底部通过焊接在多功能天线母板2上预留接插件焊盘位置上的一个或多个连接器13传输射频信号、控制信号和电源信号，包含了接收链路功率分配网络、发射链路功率分配网络和波束控制电路与电源电路的多功能天线母板2通过底层金属结构3之间的公共口SIP封装TR组件、电源器件和波束控制数字器件实现电气连接；当相控阵天线发射时，外部的发射输入激励射频信号、控制信号和供电信号通过底层金属结构上的接插件进入到多功能天线母板里，其中激励射频信号通过多功能母板的走线层传入到公共口SIP封装TR组件进行初步的放大、滤波，通过发射链路功率分配网络进行功率分配，同时控制信号和供电信号进入到多功能母板对应的波控数字器件和电源器件进行解析和二次转化，经过功率分配后的射频激励信号、解析后的控制信号和二次转化后供电信号通过高低频集成接插件传入到每一个有源AIP天线单元中。进入到有源AIP单元的走线层中的多种信号，射频信号传递到分支口SIP封装TR组件7内部的芯片内进行放大，滤波，并根据控制信号对射频信号的幅度和相位进行调制，供电信号则为芯片工作提供电压，最后射频信号通过辐射贴片层8转化为向外辐射的电磁波信号。
当天线作为接收时，整个过程则反过来，有源AIP天线单元接收空间中的电磁波，并转化为走线层里的导行波，经过分支口SIP封装TR组件低噪声放大和滤波后，通过高低频集成矩形接插件传递到天线多功能母板上，经过接收链路功分网络，将各有源AIP天线单元传递的射频信号合为一路，最后传递到公共口SIP封装TR组件进行末级的放大、滤波，通过连接器13对外输出接收信号。
参阅图5～图6。所述的有源AIP单元1包括：表贴了辐射贴片层8的线子板6，辐射贴片层8通过天线子板6内部的金属化通孔与分支口SIP封装TR组件7的管脚连接，天线子板6从上到下依次为辐射贴片层8和射频数字信号走线层9，将辐射贴片层8与射频数字信号走线层9压合为一体，高低频集成式矩形插头4通过天线子板6一角端上的矩形条插孔固定在盒体围框缺口槽的板体上，天线子板6通过螺钉将分支口SIP封装TR组件7、高低频集成式矩形插头4封装为一体式辐射贴片天线单元。
分支口SIP封装TR组件7通过表面贴装工艺焊接在天线子板6底部对应的焊盘上，通过装配在盒体围框14腔体内的散热处理装置对分支口SIP封装TR组件7进行散热，通过连接于多功能天线母板2的高低频集成式矩形插头4传输射频信号。每一个天线封装有源AIP单元都是功能结构独立完整的有源天线。
所述的有源AIP单元1具有收发双工的能力：当有源AIP单元天线作为接收使用时，来自外部的电磁波信号经过辐射贴片层8转化为天线子板6印制板内部的导行波信号，并通过射频数字信号走线层9内的金属化通孔和走线传递到表贴的分支口SIP封装TR组件7内部的芯片里进行滤波，放大，并根据天线系统需要对接收信号的幅度和相位进行调制，最后通过高低频集成式矩形插头4向天线母板输出信号；当有源AIP单元作为发射使用时，发射激励信号和控制信号通过高低频集成式矩形插头4进入到有源AIP单元的走线层中，其中控制信号根据天线系统需要对发射信号的幅度和相位进行调制，而发射激励信号传递到分支口SIP封装TR组件7内部的芯片内，进行放大，滤波，最后通过辐射贴片层8转化为向外辐射的电磁波信号。
参阅图7。分支口TR组件7采用低温共烧陶瓷LTCC作为陶瓷基板10的可伐盖板，在陶瓷基板10底部植入高铅球12焊盘叠置，以球栅阵列BGA形式与天线子板6底面预留的焊盘连接，信号传输线通过信号孔侧壁的导电层与焊盘电性连接。陶瓷基板10通过可伐围框11上表面焊接并采用平行封焊实现陶瓷封装(也可以是金属封装或者塑料封装形式)，将集成了滤波器，功率放大器，低噪放和移相衰减等不同类型的芯片气密封装在可伐围框11腔体内。
参阅图8、图9。所述的多功能天线母板2为多层射频数字混压印制板，从上到下依次设置有接收链路功率分配网络PCB板15、发射链路功率分配网络PCB板16和波束控制与电源分配电路PCB板17，多功能天线母板2顶层表面有着对应有源AIP单元的数目的高低频集成矩形插座5，底层金属焊盘上表贴有公共口SIP封装TR组件18、波束控制器件19和电压转换器20。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，包括：按照天线的分支口/公共口的信号路径进行划分的有源AIP单元(1)，接收链路功率分配网络+发射链路功率分配网络+波束控制器件数字电路+电源分配电路的多功能天线母板(2)和底层金属结构(3)，其特征在于：在多功能天线母板(2)表面上同侧排布的N个有源AIP单元(1)，以矩阵排列的辐射单元阵列形式分布在多功能天线母板(2)上，每个有源AIP单元(1)利用包含了辐射贴片和射频数字集成电路板的天线子板(6)，每个有源AIP单元(1)通过一角端上对插的高低频矩形电连接器与多功能天线母板(2)实现电气互联，并通过金属紧固件将所有的有源AIP单元(1)和多功能天线母板(2)固定在底层金属结构(3)的腔体内；底层金属结构(3)的侧壁或底部通过焊接在多功能天线母板(2)上预留接插件焊盘位置上的一个或多个连接器(13)传输射频信号、控制信号和电源信号；多功能天线母板(2)以多层数字模拟混压印制板的形式，通过底层金属结构(3)之间的公共口SIP封装TR组件、电源器件和波束控制数字器件实现与分支口SIP封装TR组件(7)多种类型信号的双向传输电气连接，每一个天线封装有源AIP单元都是功能结构独立完整的有源天线。
2.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，所述的有源AIP单元(1)包括：表贴了辐射贴片层(8)的天线子板(6)，辐射贴片层(8)通过天线子板(6)内部的金属化通孔与分支口SIP封装TR组件(7)的管脚连接。
3.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，天线子板(6)从上到下依次为辐射贴片层(8)和射频数字信号走线层(9)，将辐射贴片层(8)与射频数字信号走线层(9)压合为一体。
4.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，高低频集成式矩形插头(4)通过天线子板(6)一角端上的矩形条插孔固定在盒体围框缺口槽的板体上，天线子板(6)通过螺钉将分支口SIP封装TR组件(7)、高低频集成式矩形插头(4)封装为一体式辐射贴片天线单元。
5.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，分支口SIP封装TR组件(7)通过表面贴装工艺焊接在天线子板(6)底部对应的焊盘上，通过装配在盒体围框(14)腔体内的散热处理装置对分支口SIP封装TR组件(7)进行散热，通过连接于多功能天线母板(2)的高低频集成式矩形插头(4)传输射频信号。
6.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，所述的有源AIP单元(1)具有收发双工的能力，当有源AIP单元天线作为接收使用时，来自外部的电磁波信号经过辐射贴片层(8)转化为天线子板(6)印制板内部的导行波信号，并通过射频数字信号走线层(9)内的金属化通孔和走线传递到表贴的分支口SIP封装TR组件(7)内的芯片里进行滤波，放大，并根据天线系统发送的控制信号需要对接收信号的幅度和相位进行调制，最后通过高低频集成式矩形插头(4)向多功能天线母板(2)输出信号。
7.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，当有源AIP单元作为发射使用时，发射激励信号和控制信号通过高低频集成式矩形插头(4)进入到有源AIP单元(1)的走线层中，其中控制信号根据天线系统需要对发射信号的幅度和相位进行调制，而发射激励信号传递到分支口SIP封装TR组件(7)内部的芯片内进行放大，滤波，最后通过辐射贴片层(8)转化为向外辐射的电磁波信号。
8.根据权利要求1所述的基于有源AIP单元的平板相控阵天线架构，其特征在于，所述的多功能天线母板(2)为多层射频数字混压印制板，从上到下依次设置有接收链路功率分配网络PCB板(15)、发射链路功率分配网络PCB板(16)和波束控制与电源分配电路PCB板(17)，多功能天线母板(2)顶层表面有着对应有源AIP单元的数目的高低频集成矩形插座(5)，底层金属焊盘上表贴有公共口SIP封装TR组件(18)、波束控制器件(19)和电压转换器(20)。
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